【正文】 成單模光纖通信系統(tǒng)、多模光纖通信系統(tǒng)；模擬光纖通信系統(tǒng)、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)；時(shí)分復(fù)用傳輸系統(tǒng)和波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)等光纖通信工程中常用的絕大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)。光發(fā)端機(jī)完成將電信號(hào)直接調(diào)制至光載波上去，采用強(qiáng)度調(diào)制（IM） ；光接收機(jī)完成光信號(hào)的解調(diào)，采用直接檢測(cè)（DD） ，屬于非相干解調(diào)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以完成模擬信號(hào)（正弦波、三角波、視頻信號(hào)、音頻信號(hào)）的光纖傳輸，也可以完成數(shù)字信號(hào)（NRZ 碼、CMI 碼、計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)）的光纖傳輸；可以實(shí)現(xiàn)接口碼型HDB線路碼型 CMI、電終端 PCM 碼型的編譯碼；也可實(shí)現(xiàn)四個(gè)時(shí)隙的復(fù)接、兩個(gè)光波長(zhǎng)的波分復(fù)用、時(shí)鐘提取、幀信號(hào)的提取等實(shí)用先進(jìn)功能；也提供了豐富的資源，以實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。1%（5）方波輸出穩(wěn)定度：177。%+ （電壓過(guò)沖）（6）占空比: 50%正弦波信號(hào)輸出（1） 頻率輸出范圍：14Hz～ 300KHz（2） 幅度 0V～5V 連續(xù)可調(diào)脈沖信號(hào)輸出 （1）頻率輸出范圍：8KHz（2）占空比：為 %（3）頻率輸出誤差：≤177。無(wú)源配件箱如圖 03 所示，為供客戶選配的光纖通信原理配件箱。實(shí)驗(yàn)箱使用過(guò)程中應(yīng)有防靜電措施，以防靜電損壞光學(xué)器件。實(shí)驗(yàn)時(shí)不可將光纖輸出端對(duì)準(zhǔn)自己或別人的眼睛，以免損傷眼睛。若不小心把光纖輸出端的接口弄臟，需用酒精棉球進(jìn)行清洗。不要用力拉扯光纖，光纖彎曲半徑一般不小于 30mm，否則可能導(dǎo)致光纖折斷。不要用手觸摸激光器和探測(cè)器的焊點(diǎn)，以免燒壞激光器與探測(cè)器。根據(jù) P－I 特性曲線，找出半導(dǎo)體激光器閾值電流，計(jì)算半導(dǎo)體激光器斜率效率。處于高能級(jí) E2的電子在光場(chǎng)的感應(yīng)下發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子，而躍遷到低能級(jí) E1，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激輻射，所謂一模一樣，是指發(fā)射光子和感應(yīng)光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向和傳播方向都相同，它和感應(yīng)光子是相干的。水平發(fā)散角為 0～30176。閾值電流是非常重要的特性參數(shù)。半導(dǎo)體激光器可以看作為一種光學(xué)振蕩器，要形成光的振蕩，thI就必須要有光放大機(jī)制，也即激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。一般用注入電流值來(lái)標(biāo)定閾值條件，也即閾值電流 。當(dāng)注入電流增加時(shí)，輸出光功率也隨之增加，10 / 119在達(dá)到 之前半導(dǎo)體激光器輸出熒光，到達(dá) 之后輸出激光，輸出光子數(shù)的增量與注入電thI thI子數(shù)的增量之比見(jiàn)式 11。 PI 特性是選擇半導(dǎo)體激光器的重要依據(jù)。這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性thI高，消光比（測(cè)試方法見(jiàn)實(shí)驗(yàn)四）大，而且不易產(chǎn)生光信號(hào)失真。斜率太小，則要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)太大，給驅(qū)動(dòng)電路帶來(lái)麻煩；斜率太大，則會(huì)出現(xiàn)光反射噪聲及使自動(dòng)光功率控制環(huán)路調(diào)整困難。其典型參數(shù)如下表 11：Parameter參數(shù)Symbol符號(hào)Min最小值Typ典型值Max.最大值Unit單位Central Wavelength中心波長(zhǎng) ?1280 1310 1340 nmSpectral Width RMS譜線寬度 ?2 5 nmThreshold Current閾值電流 thI8 15 mAOptical output power輸出功率 mWForward Voltage正向電壓Vf V11 / 119Rise Time/Fall Time上升/下降時(shí)間tr/tf ns…… …… …… …… …… …… 表 11 本實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體激光器的部分參數(shù)參考表六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流不可超過(guò) 40mA，否則有燒毀激光器的危險(xiǎn)。七、實(shí)驗(yàn)步驟將光發(fā)模塊中的可調(diào)電阻 W101 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，使數(shù)字驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到最小值。 用萬(wàn)用表測(cè)得 R110 電阻值，找出所測(cè)電壓與半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系（V＝IR 110） 。旋開(kāi)光發(fā)端機(jī)光纖輸出端口（1310nm T）防塵帽，用 FCFC 光纖跳線將半導(dǎo)體激光器與光功率計(jì)輸入端連接起來(lái)，并將光功率計(jì)測(cè)量波長(zhǎng)調(diào)整到 1310nm 檔。 連接好實(shí)驗(yàn)箱電源，先開(kāi)交流電源開(kāi)關(guān)，再開(kāi)直流電源開(kāi)關(guān)，即按下 K01，K02 (電源模塊)，并打開(kāi)光發(fā)模塊和數(shù)字信號(hào)源的直流電源（K10 與 K50） 。 慢慢調(diào)節(jié)電位器 W101，使所測(cè)得的電壓為下表中數(shù)值，依次測(cè)量對(duì)應(yīng)的光功率值，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下表 12，精確到 。1拆下光跳線及光功率計(jì)，用防塵帽蓋住實(shí)驗(yàn)箱半導(dǎo)體激光器光纖輸出端口，將實(shí)驗(yàn)箱還原。U(mV) 1 2 3 4 5 6 7 8I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV) 9 10 12 14 16 18 20 22I(mA)P（uW）P（dBm）U(mV) 24 26 28 30 32 34 36 3812 / 119I(mA)P（uW）P（dBm）表 12 LD 的 PI 特性測(cè)試表1測(cè)量半導(dǎo)體激光器輸出功率和注入電流，并畫(huà)出 PI 關(guān)系曲線。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 字跡工整,原理論述清楚根據(jù)測(cè)試結(jié)果，算出半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流，畫(huà)出光功率與注入電流的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析正確。環(huán)境溫度的改變對(duì)半導(dǎo)體激光器 PI 特性有何影響？分析以半導(dǎo)體激光器為光源的光纖通信系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器 PI 特性對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。LD 已經(jīng)在上一個(gè)實(shí)驗(yàn)介紹過(guò)，本實(shí)驗(yàn)主要是介紹 LED。發(fā)光二極管（LED）發(fā)射的不是激光，輸出功率較小、具有較寬的譜寬（30～60nm） 、發(fā)射角較大（≈100176。其優(yōu)點(diǎn)是：壽命很長(zhǎng)，理論推算可達(dá) 108至 1010小時(shí)，其次是受溫度影響較小，輸出光功率與注入電流的線性關(guān)系較好，價(jià)格也比較便宜，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，不存在模式噪聲等問(wèn)題。對(duì)于發(fā)光二極管（LED）而言，自發(fā)輻射產(chǎn)生的功率是由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流提供的，當(dāng)注入電流為 I，工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電子空穴對(duì)通過(guò)輻射和非輻射復(fù)合，其復(fù)合率等于載流子注入率 ，其中發(fā)射電子的復(fù)合率決定于內(nèi)量子效率 ，光子產(chǎn)生率為q int?，因此 LED 內(nèi)產(chǎn)生的光功率為)/(intI? （2IqP)(intit???14 / 1191）式中， 為光量子能量。由 22 式可知，LED 發(fā)射功率 P 和注入電流 I 近似成正比。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量其電光轉(zhuǎn)換特性（PI 特性） ，工作電流不同的時(shí)候，輸出功率也不同，基本上是成線性關(guān)系。電路中的驅(qū)動(dòng)電流在數(shù)值上等于 R110 兩端電壓與電阻值之比。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流不可大于 60mA，否則有燒毀發(fā)光二極管的危險(xiǎn)。七、實(shí)驗(yàn)步驟將光發(fā)模塊中的可調(diào)電阻 W101 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到頭，使數(shù)字驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到最小值。用萬(wàn)用表測(cè)得 R110 電阻值，找出所測(cè)電壓與半導(dǎo)體發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系（V＝IR 110） 。用 STFC 光跳線將 850nm 光發(fā)端與光功率計(jì)連接，并將光功率計(jì)選擇波長(zhǎng) 850nm 檔，連接導(dǎo)線 T504（數(shù)字信號(hào)源模塊）與 T101。15 / 119接通光發(fā)模塊和數(shù)字信號(hào)源模塊直流電源（K10 與 K50） ，并將 K501，K502，K503 撥為全“1” 。慢慢調(diào)節(jié)電位器 W101 使所測(cè)得的電壓為下表中數(shù)值，依次測(cè)量對(duì)應(yīng)的光功率值。U(mV) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55I(mA)P（uW）P（dBm） 表 21 LED 的 PI 特性測(cè)試表做完實(shí)驗(yàn)后將撥碼開(kāi)關(guān) BM1 和 BM2 撥到中間狀態(tài)，然后依次關(guān)掉各直流開(kāi)關(guān)，以及交流電開(kāi)關(guān)。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告字跡工整，原理分析透徹根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)光功率與注入電流的關(guān)系曲線，分析 PI 特性曲線意義。環(huán)境溫度的改變對(duì)發(fā)光二極管 PI 特性曲線有何影響？發(fā)光二極管 PI 特性曲線是否嚴(yán)格線性？為什么？16 / 119實(shí)驗(yàn)三 預(yù)失真補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí) LED 和 LD 光源中存在的非線性失真產(chǎn)生原理了解預(yù)失真補(bǔ)償電路原理工作過(guò)程掌握 LED 和 LD 失真補(bǔ)償?shù)姆椒ǘ?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察 LED 失真現(xiàn)象，進(jìn)行 LED 的預(yù)失真補(bǔ)償觀察 LD 的失真現(xiàn)象，進(jìn)行 LD 的預(yù)失真補(bǔ)償三、預(yù)備知識(shí)：預(yù)失真的概念預(yù)失真在實(shí)際中的應(yīng)用有哪些？四、實(shí)驗(yàn)儀器ZY12OFCom13BG3 型光纖通信原理實(shí)驗(yàn)箱 1 臺(tái)20MHz 雙蹤示波器 1 臺(tái)850nm 光發(fā)端機(jī)和光收端機(jī) 1 套ST/PCST/PC 多模光跳線 1 根FC/PCFC/PC 單模光跳線 1 根萬(wàn)用表 1 臺(tái)連接導(dǎo)線 20 根五、實(shí)驗(yàn)原理為了獲得較大的輸出光功率，LED 通常工作于大信號(hào)狀態(tài)，此時(shí)它的非線性是系統(tǒng)非線性效應(yīng)的主要來(lái)源。這是因?yàn)榘l(fā)光二極管的阻抗特性、注入電流、內(nèi)部量子效率、輻射復(fù)合率的溫度特性以及調(diào)制帶寬等因素的影響所致。這時(shí)應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和校正措施，可以通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)偏置電流和調(diào)制電流的調(diào)整。迄今為止采用的方法有反饋法、相移調(diào)制法、前饋法與準(zhǔn)前饋法等。因此，一般情況下多采用預(yù)失真（預(yù)校正）法比較實(shí)用。下面介紹這種方法。圖 31 示出了預(yù)失真電路的原理，圖 31(a)為信號(hào)幅度預(yù)失真電路，其中的二極管 DD 2與 D3分別被偏置在電壓 VV 2和 V3上，電路增益近似為： Au= （3ECRlg01）這里 RE=RE0//RE1//RE2//RE3 (DD D 3通)RE=RE0//RE1//RE2 (DD 2通，D 3不通)RE=RE0//RE1 (D1通，D D 3不通)RE=RE0 (DD D 3不通)隨著二極管 DD D 3逐次斷開(kāi)，R E值將隨著輸入信號(hào)電平的增加而增加，因而使放大器增益逐步降低。圖 31(b)為相位預(yù)失真電路。一般對(duì) DG 校正來(lái)說(shuō)，采用三段補(bǔ)償即可滿足要求。同樣，半導(dǎo)體激光器的非線性失真主要由激光器的非線性和光纖色散所引起的。另外，由于光纖存在的色散，同頻率的光波經(jīng)過(guò)相同長(zhǎng)度的光纖傳輸后，所產(chǎn)生的相位延遲是不同的。在進(jìn)行激光器的模擬驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于激光器 VI 特性的非線性，其調(diào)制失真也是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生失真的主要原因之一。半導(dǎo)體激光器的失真主要以實(shí)驗(yàn)中的調(diào)制失真為主，其主要表現(xiàn)與發(fā)光二極管一致，經(jīng)過(guò)正向失真補(bǔ)償，正弦波達(dá)到正常傳輸要求。圖 32 為該實(shí)驗(yàn)方框圖。 圖 33 LED、LD 正向補(bǔ)償電路效果圖六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，要嚴(yán)格監(jiān)控半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流不得超過(guò)40mA。 撥碼開(kāi)關(guān) BMBM2 和 BM3 分別撥到模擬，1310nm 和 1310nm。連接好 FCFC 型光纖單模跳線，組成 LD 模擬光纖傳輸系統(tǒng)。用萬(wàn)用表監(jiān)控 R110 兩端電壓（紅表筆插 T103，黑表筆插 T104） ，使得調(diào)節(jié)過(guò)程中模擬驅(qū)動(dòng)電流不可超過(guò) 60mA。接通模擬信號(hào)源模塊（K30） 、預(yù)失真補(bǔ)償模塊(K20)和光發(fā)模塊(K10)的直流電源。慢慢調(diào)節(jié) W112，使 TP121 的波形稍有失真（上下不對(duì)稱也是失真） ，這時(shí) LD 工作在非線性區(qū)。 ）慢慢調(diào)節(jié) W201，W202，W203，并觀察 T121 的波形，在調(diào)節(jié)過(guò)程中可看到 TP121 的波形慢慢被補(bǔ)償了（三個(gè)電位器配合調(diào)節(jié)，使之達(dá)到最佳效果） 。1做完實(shí)驗(yàn)后將撥碼開(kāi)關(guān) BM1 和 BM2 撥到中間狀態(tài)，然后依次關(guān)掉各直流開(kāi)關(guān)，以及交流電開(kāi)關(guān)。B、發(fā)光二極管預(yù)失真補(bǔ)償參照發(fā)光二極管預(yù)失真補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器預(yù)失真補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)步驟。 調(diào)節(jié) W112，使 TP121 波形失真較大，觀察波形補(bǔ)償效果是否理想，并分析其原因。其功能是將電脈沖信號(hào)變換成光脈沖信號(hào)，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號(hào)波形從光源器件組件的尾纖發(fā)射出去。輸出光功率是指給光發(fā)端機(jī)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路送入一偽隨機(jī)二進(jìn)制序列作為測(cè)試信號(hào)，用光功率計(jì)直接測(cè)試光發(fā)端機(jī)的光功率，此數(shù)值即為數(shù)字發(fā)送單元的輸出光功率。 圖 41 輸出光功率測(cè)試連接示意圖根據(jù) CCITT 標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)源輸出信號(hào)為表 41 所規(guī)定的要求。消光比的值與光源工作電流有一定的關(guān)系，一般當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，工作電流應(yīng)在閥值附近，實(shí)驗(yàn)時(shí)可調(diào)節(jié)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流值。光脈沖的響應(yīng)時(shí)間 及開(kāi)通延遲時(shí)間 必須遠(yuǎn)小于每個(gè)碼元的時(shí)隙，以便使),(frt)(dt光脈沖成為傳輸數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確重現(xiàn)。該項(xiàng)指標(biāo)不是本實(shí)驗(yàn)的重frt點(diǎn)，老師如感興趣，可參閱其他書(shū)籍。這時(shí)必須在電路上加以阻尼，以便使光發(fā)送機(jī)能正常工作。該項(xiàng)指標(biāo)也不是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，老師如感興趣，可參閱其他書(shū)籍。它嚴(yán)重惡化數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，限制通信的中繼距離。該項(xiàng)指標(biāo)也不是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，老師如感興趣，可參閱其他書(shū)